wejściePrędkość obrotowa pola magnetycznego stojana. Wirujące pole magnetyczne
Zależy to od częstotliwości napięcia zasilającego, mocy obciążenia prądowego na wale oraz ilości biegunów elektromagnetycznych danego silnika. Ta rzeczywista prędkość (lub częstotliwość pracy) jest zawsze mniejsza od tzw. Częstotliwości synchronicznej, o której decydują jedynie parametry źródła zasilania i liczba biegunów uzwojenia stojana danego silnika indukcyjnego.
A zatem, synchroniczna prędkość obrotowa silnikajestem jest częstotliwością wirowania pola magnetycznego uzwojenia stojana przy znamionowej częstotliwości napięcia zasilania i różni się nieznacznie od częstotliwości roboczej. W efekcie liczba obrotów na minutę pod obciążeniem jest zawsze mniejsza niż tzw. Obroty synchroniczne.
Rysunek pokazuje, w jaki sposób synchroniczna częstotliwość obrotowa silnika indukcyjnego z jedną lub drugą liczbą biegunów stojana zależy od częstotliwości napięcia zasilania: im wyższa częstotliwość, tym wyższa kątowa prędkość obrotowa pola magnetycznego. Na przykład, zmieniając częstotliwość napięcia zasilania, zmienia się częstotliwość synchroniczna silnika. Zmienia to również prędkość roboczą wirnika silnika pod obciążeniem.
Zwykle uzwojenie stojana silnika asynchronicznego jest zasilane trójfazowym prądem przemiennym, który wytwarza wirujące pole magnetyczne. A im więcej par biegunów - tym niższa będzie synchroniczna częstotliwość rotacji - częstotliwość rotacji pola magnetycznego stojana.
Większość nowoczesnych silników asynchronicznych ma od 1 do 3 par biegunów magnetycznych, w rzadkich przypadkach 4, ponieważ im więcej biegunów, tym niższa sprawność silnika asynchronicznego. Jednak przy mniejszej liczbie biegunów prędkość wirnika można zmieniać bardzo, bardzo płynnie, zmieniając częstotliwość napięcia zasilania.
Jak wspomniano powyżej, rzeczywista częstotliwość robocza silnika indukcyjnego różni się od jego częstotliwości synchronicznej. Dlaczego to się dzieje? Gdy wirnik obraca się z częstotliwością mniejszą niż synchroniczna, wówczas przewodniki wirnika przecinają pole magnetyczne stojana z określoną prędkością i indukowana jest w nich siła elektromagnetyczna. Ta EMF wytwarza prądy w zamkniętych przewodnikach wirnika, w wyniku czego prądy te oddziałują z wirującym polem magnetycznym stojana i powstaje moment obrotowy - wirnik jest unoszony przez pole magnetyczne stojana.
Jeśli moment ma wartość wystarczającą do pokonania sił tarcia, wówczas wirnik zaczyna się obracać, podczas gdy moment elektromagnetyczny jest równy momentowi hamowania, który jest tworzony przez obciążenie, siły tarcia itp.
W tym przypadku wirnik cały czas pozostaje w tyle za polem magnetycznym stojana, częstotliwość robocza nie może osiągnąć częstotliwości synchronicznej, ponieważ gdyby tak się stało, to EMF przestałby być indukowany w przewodach wirnika, a moment obrotowy po prostu nie pojawiłby się. W efekcie wprowadzana jest wartość „poślizgu” dla trybu silnika (z reguły jest to 2-8%), a zatem zachodzi również następująca nierówność silnika:
Ale jeśli wirnik tego samego silnika indukcyjnego jest obracany za pomocą jakiegoś zewnętrznego napędu, na przykład silnika spalinowego, do takiej prędkości, że prędkość wirnika przekracza częstotliwość synchroniczną, wówczas SEM w przewodach wirnika i prąd czynny w nich uzyskają określony kierunek, a silnik indukcyjny zamieni się w.
Okazuje się, że całkowity moment elektromagnetyczny zwalnia, a poślizg s staje się ujemny. Aby jednak tryb generatora mógł się zamanifestować, konieczne jest zasilanie silnika indukcyjnego mocą bierną, która wytworzyłaby pole magnetyczne stojana. W momencie uruchomienia takiej maszyny w trybie generatora może wystarczyć szczątkowa indukcja wirnika i kondensatorów, które są podłączone do trzech faz uzwojenia stojana zasilającego obciążenie czynne.
Jak pokazano wcześniej, jedną z najważniejszych zalet układów wielofazowych jest generowanie wirującego pola magnetycznego za pomocą stałych cewek, na których opiera się praca silników. prąd przemienny... Rozpatrzenie tego zagadnienia zacznijmy od analizy pola magnetycznego cewki o prądzie sinusoidalnym.
Pole magnetyczne cewki z prądem sinusoidalnym
Podczas przepuszczania prądu sinusoidalnego przez uzwojenie cewki tworzy
pole magnetyczne, którego wektor indukcji zmienia się (pulsuje) wzdłuż tej cewki również zgodnie z prawem sinusoidalnym Chwilowa orientacja wektora indukcji magnetycznej w przestrzeni zależy od uzwojenia cewki i chwilowego kierunku prądu w niej i jest określona przez regułę prawego kciuka. Tak więc w przypadku pokazanym na ryc. 1, wektor indukcji magnetycznej jest skierowany w górę wzdłuż osi cewki. Po pół okresie, gdy przy tym samym module prąd zmieni swój znak na przeciwny, wektor indukcji magnetycznej o tej samej wartości bezwzględnej zmieni swoją orientację w przestrzeni o 1800. Uwzględniając powyższe, nazywamy pole magnetyczne cewki o prądzie sinusoidalnym tętniący.
Okrągłe wirujące pole magnetyczne
uzwojenia dwu- i trójfazowe
Okrągłe wirujące pole magnetyczne to pole, którego wektor indukcji magnetycznej, bez zmiany wartości bezwzględnej, obraca się w przestrzeni ze stałą częstotliwością kątową.
Aby utworzyć okrągłe pole wirujące, muszą być spełnione dwa warunki:
- Osie cewek należy przesunąć w przestrzeni względem siebie o określony kąt (dla układu dwufazowego o 90 0, dla układu trójfazowego o 120 0).
- Prądy zasilające cewki muszą być przesunięte w fazie zgodnie z przestrzennym przemieszczeniem cewek.
Rozważ uzyskanie okrągłego wirującego pola magnetycznego w przypadku dwufazowego układu Tesli (ryc. 2, a).
Przepuszczając prądy harmoniczne przez cewki, każda z nich, zgodnie z powyższym, wytworzy pulsujące pole magnetyczne. Wektory i, które charakteryzują te pola, są skierowane wzdłuż osi odpowiednich cewek, a ich amplitudy również zmieniają się zgodnie z prawem harmonicznym. Jeśli prąd w cewce B pozostaje w tyle za prądem w cewce A o 90 0 (patrz rys. 2, b), to.
Znajdźmy rzuty wynikowego wektora indukcji magnetycznej na osie x i y kartezjańskiego układu współrzędnych skojarzonego z osiami cewek:
Moduł powstałego wektora indukcji magnetycznej zgodnie z rys. 2, c jest równe
Z uzyskanych zależności (1) i (2) wynika, że \u200b\u200bwektor powstałego pola magnetycznego ma stałą wartość bezwzględną i obraca się w przestrzeni ze stałą częstotliwością kątową, opisując okrąg, który odpowiada kołowemu polu wirującemu.
Pokażmy, że symetryczny trójfazowy układ cewek (patrz rys. 3, a) umożliwia również uzyskanie kołowego wirującego pola magnetycznego.
Każda z cewek A, B i C, przepuszczając przez nie prądy harmoniczne, wytwarza pulsujące pole magnetyczne. Schemat wektorowy w przestrzeni dla tych pól pokazano na ryc. 3, b. Do rzutowania powstałego wektora indukcji magnetycznej na
można zapisać osie kartezjańskiego układu współrzędnych, którego oś y jest wyrównana z osią magnetyczną fazy A
| ; | (3) |
| . | (4) |
Powyższe przełożenia uwzględniają przestrzenne rozmieszczenie cewek, ale są również zasilane trójfazowym układem prądów o przesunięciu fazowym 1200. Dlatego dla chwilowych wartości indukcji cewek stosunki
; ; .
Zastępując te wyrażenia w (3) i (4), otrzymujemy:
| ; | (5) |
 |
(6) |
Zgodnie z (5) i (6) oraz rys. 2, c dla modułu wektora indukcji magnetycznej powstałego pola trzech cewek z prądem można zapisać:
,
a sam wektor tworzy kąt a z osią x, dla której
,
Tak więc w tym przypadku istnieje wektor indukcji magnetycznej o stałej wielkości, który wiruje w przestrzeni ze stałą częstotliwością kątową, co odpowiada kołowemu polu.
Pole magnetyczne w samochodzie elektrycznym
Aby wzmocnić i skoncentrować pole magnetyczne w maszynie elektrycznej, tworzy się dla niej obwód magnetyczny. Maszyna elektryczna składa się z dwóch głównych części (patrz rys. 4): nieruchomego stojana i obracającego się wirnika, wykonanych odpowiednio w postaci wydrążonych i pełnych cylindrów.
Na stojanie znajdują się trzy identyczne uzwojenia, których osie magnetyczne są przesunięte wzdłuż otworu obwodu magnetycznego przez podział na 2/3 biegunów, których wartość określa wyrażenie
,
gdzie jest promieniem otworu obwodu magnetycznego, a p jest liczbą par biegunów (liczba równoważnych obracających się magnesów trwałych tworzących pole magnetyczne, w przypadku pokazanym na rys. 4, p \u003d 1).
Na rys. 4 linie ciągłe (A, B i C) wskazują dodatnie kierunki pulsujących pól magnetycznych wzdłuż osi uzwojeń A, B i C.
Przyjmując nieskończenie dużą przenikalność magnetyczną stali, konstruujemy krzywą rozkładu indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej maszyny, wytworzonej przez uzwojenie fazy A, dla określonego momentu t (rys. 5). Podczas konstruowania weźmiemy pod uwagę, że krzywa zmienia się gwałtownie w miejscach boków cewki, a na odcinkach bez prądu występują odcinki poziome.
Zastąpmy tę krzywą sinusoidą (należy zaznaczyć, że w rzeczywistych maszynach, ze względu na odpowiednie zaprojektowanie uzwojeń fazowych dla otrzymanego pola, taka zamiana wiąże się z bardzo małymi błędami). Przyjmując amplitudę tej sinusoidy dla wybranego czasu t równe VA, piszemy
 ;
|
(11) |
 .
|
(12) |
Podsumowując zależności (10) ... (12), biorąc pod uwagę fakt, że suma ostatnich wyrazów po ich prawej stronie jest identycznie równa zero, otrzymujemy wyrażenie na pole wynikowe wzdłuż szczeliny powietrznej maszyny
co jest równaniem fali wędrującej.
Indukcja magnetyczna jest stała, jeśli 
... Tak więc, jeśli wybierzesz mentalnie punkt w szczelinie powietrznej i przesuniesz go wzdłuż otworu obwodu magnetycznego z prędkością
,
wówczas indukcja magnetyczna dla tego punktu pozostanie niezmieniona. Oznacza to, że z czasem krzywa rozkładu indukcji magnetycznej, bez zmiany jej kształtu, przesuwa się po obwodzie stojana. W konsekwencji powstałe pole magnetyczne obraca się ze stałą prędkością. Ta prędkość jest zwykle określana w obrotach na minutę:
.
Zasada działania silników asynchronicznych i synchronicznych
Urządzenie silnika asynchronicznego odpowiada obrazowi na ryc. 4. Wirujące pole magnetyczne wytwarzane przez przewodzące prąd uzwojenia znajdujące się na stojanie oddziałuje z prądami wirnika, powodując jego obrót. Obecnie najbardziej rozpowszechnionym jest silnik asynchroniczny z wirnikiem klatkowym ze względu na jego prostotę i niezawodność. W rowkach wirnika takiej maszyny umieszczone są pręty miedziane lub aluminiowe przewodzące prąd. Końce wszystkich prętów z obu końców wirnika są połączone pierścieniami miedzianymi lub aluminiowymi, które powodują zwarcie prętów. Stąd nazwa wirnika.
Prądy wirowe powstają w zwartym uzwojeniu wirnika pod działaniem pola elektromagnetycznego wywołanego przez wirujące pole stojana. Oddziałując z polem, powodują one obrót wirnika z prędkością zasadniczo mniejszą niż prędkość obrotowa pola 0. Stąd nazwa silnika - asynchroniczny.
Ilość
nazywa względny poślizg... Dla normalnego wykonania silniki S \u003d 0,02… 0,07. Nierówność prędkości pola magnetycznego i wirnika staje się oczywista, jeśli weźmiemy pod uwagę, że podczas wirującego pola magnetycznego nie będzie się przecinać przewodzących prętów wirnika, a zatem nie będą w nich indukowane prądy uczestniczące w tworzeniu momentu obrotowego.
Podstawowa różnica między silnikiem synchronicznym a asynchronicznym polega na konstrukcji wirnika. Ten ostatni w silniku synchronicznym to magnes wykonany (przy relatywnie małych mocach) na bazie magnesu trwałego lub elektromagnesu. Ponieważ przyciągane są przeciwne bieguny magnesów, wirujące pole magnetyczne stojana, które można zinterpretować jako obracający się magnes, przenosi się wzdłuż wirnika magnetycznego, a ich prędkości są równe. To wyjaśnia nazwę silnika - synchroniczny.
Podsumowując, zauważamy, że w przeciwieństwie do silnika indukcyjnego, który zwykle nie przekracza 0,8 ... 0,85, silnik synchroniczny może osiągnąć większą wartość, a nawet sprawić, że prąd wyprzedzi napięcie w fazie. W tym przypadku, podobnie jak w przypadku baterii kondensatorów, do poprawy współczynnika mocy używana jest maszyna synchroniczna.
Literatura
- Podstawyteoria obwodów: podręcznik. dla uniwersytetów / G.V. Zeveke, P.A. Ionkin, A.V. Netushil, S.V. Strakhov. –5 wydanie, Rev. –M .: Energoatomizdat, 1989. -528p.
- Bessonov L.A. Teoretyczne podstawy elektrotechniki: Obwody elektryczne. Podręcznik. dla studentów kierunków elektrotechnicznych, elektroenergetycznych i instrumentalnych uczelni wyższych. –7 wydanie, Rev. i dodaj. –M.: Wyżej. shk., 1978. -528s.
- Teoretycznypodstawy elektrotechniki. Podręcznik. dla uniwersytetów. W trzech tomach. Razem. wyd. K.M. Polivanova. Vol. 1. K.M. Polivanov. Liniowe obwody elektryczne ze stałymi skupionymi. –M.: Energy - 1972. –240s.
pytania testowe
- Jakie pole nazywa się pulsującym?
- Jakie pole nazywa się wirującym polem kołowym?
- Jakie warunki są niezbędne do wytworzenia okrągłego wirującego pola magnetycznego?
- Jaka jest zasada działania asynchronicznego silnika klatkowego?
- Jaka jest zasada działania silnika synchronicznego?
- Przy jakich prędkościach synchronicznych produkowane są w naszym kraju silniki prądu przemiennego ogólnego przeznaczenia?
W indukcyjnych maszynach elektrycznych uzwojenia stojana i wirnika są połączone polem magnetycznym. Aby połączyć obracającą się część maszyny z maszyną nieruchomą w szczelinie powietrznej przez układ uzwojenia stojana, należy utworzyć obrotowypole magnetyczne.
Przez obracanie rozumiemy takie pole magnetyczne, którego wektor indukcyjny porusza się w przestrzeni (w płaszczyźnie prostopadłej do osi wirnika) z określoną prędkością kątową. Jeśli amplituda wektora indukcyjnego jest stała, wówczas wywołuje się takie pole okólnik.Można wytworzyć wirujące pole magnetyczne:
- prąd przemienny w dwufazowym układzie uzwojeń przesuniętych w przestrzeni o 90 °;
- trójfazowy prąd przemienny w trójfazowym układzie uzwojeń przesuniętych w przestrzeni o 120 °;
- prąd stały, przełączany szeregowo wzdłuż uzwojeń, rozprowadzany wzdłuż otworu stojana silnika;
- prąd stały, przełączany przez komutator wzdłuż gałęzi uzwojenia umieszczonych wzdłuż powierzchni wirnika (twornika). Powstawanie wirującego pola magnetycznego w maszynie dwufazowej
- (Figa. 1.2). Ww takiej maszynie osie uzwojeń są geometrycznie przesunięte o 90 ° (rozważana jest maszyna z jedną parą biegunów, p n \u003d 1). Uzwojenia stojana są zasilane napięciem dwufazowym, jak pokazano na rys. 1.2, i. Zakładając, że maszyna jest symetryczna i nienasycona, zakładamy, że prądy w uzwojeniach są również przesunięte o 90 stopni elektrycznych (90 ° el.), A siła magnetomotoryczna uzwojeń jest proporcjonalna do prądu (rys. 1 .2,6). Wchwila czasu, = 0 prąd uzwojenia i wynosi zero, a prąd w uzwojeniu b ma największą wartość ujemną.
Postać: 1.2.Powstawanie wirującego pola magnetycznego w dwufazowej maszynie elektrycznej: a - obwód załączania uzwojeń: b - układ prądów dwufazowych w uzwojeniach stojana: w - przestrzenny diagram wektorowy sił poruszających się magnetycznie, wytwarzanych przez uzwojenia stojana
W konsekwencji całkowity wektor sił poruszających się magnetycznie (MDF) uzwojeń w momencie czasu jest równy t i znajduje się w przestrzeni, jak pokazano na rys. 1.2, w. W tej chwili przy 2 \u003d 7 s / prądy w uzwojeniach będą Tl m / i dlatego całkowity wektor MDS będzie się obracał o kąt do/ i zajmie miejsce wskazane na ryc. 12, w, jako 2 \u003d 2 + 2. W tym momencie
czas z 2 \u003d i / 2 całkowity wektor MDS będzie równy. Podobnie można prześledzić, jak czasami zmienia się pozycja całkowitego wektora MDS itp. Można zauważyć, że wektor obraca się w przestrzeni z prędkością w \u003d 2mc, zachowując stałą amplitudę. Kierunek obrotu pola jest zgodny z ruchem wskazówek zegara. Sugerujemy upewnienie się, że jeśli ubiegasz się o fazę i napięcie \u003d (co -) i na fazę b napięcie \u003d ω, a następnie kierunek
rotacja zostanie odwrócona.
Postać: 1.3.Schematy załączania uzwojeń silnika trójfazowego: a - położenie uzwojeń silnika przy p p \u003d 1; b - połączenie uzwojeń w gwiazdę; w - wykresy prądów trójfazowych w uzwojeniach silnika
Zatem połączenie przestrzennego przesunięcia osi uzwojeń o 90 stopni geometrycznych (90 °) i przesunięcia fazowego prądu przemiennego w uzwojeniach o (90 ° el.) Stopnie elektryczne pozwala na wytworzenie pola magnetycznego wirującego wzdłuż obwodu stojana w szczelinie powietrznej maszyny.
Mechanizm powstawania wirującego pola magnetycznego w trójfazowej maszynie prądu przemiennego.Uzwojenia maszyny są przesunięte w przestrzeni o 120 ° (rys. 1.3, a) i zasilane są trójfazowym układem napięciowym. Prądy w uzwojeniu maszyny są przesunięte o 120 ° el. (rys. 1.3, w):
Wynikowy wektor MDS uzwojeń stojana to:
Gdzie w - liczba zwojów uzwojeń.
Rozważ położenie w przestrzeni wektora w chwili (ryc. 1.4, o). Wektor uzwojenia MDS o t jest skierowany wzdłuż osi o w kierunku dodatnim i jest równy 0, w, te. O, . Uzwojenie wektorowe MDS z skierowane wzdłuż osi z i jest równe 0 ,. Suma wektorów j i j jest skierowana wzdłuż osi b w kierunku ujemnym i do tej sumy dodaje się wektor MDS uzwojenia B, równy Suma trzech wektorów tworzy wektor x \u003d 3/2, zajmując w danym momencie pozycję pokazaną na rys. 1.4, o. Po upływie czasu \u003d l / Zco (przy częstotliwości 50 Hz w 1/300 s) nadejdzie moment czasu 2, w którym wektor MDS uzwojenia jest równy, a wektory MDS uzwojeń b i z równe - 0,5. Powstały wektor MDS 2 w czasie 2 zajmie pozycję pokazaną na ryc. 1.4.5, tj. przesunie się względem poprzedniej pozycji w 60 ° zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Łatwo jest upewnić się, że w momencie 3 wynikowy wektor MDF uzwojeń stojana zajmie pozycję 3, tj. będzie nadal poruszać się zgodnie z ruchem wskazówek zegara. W okresie napięcia zasilania \u003d 2l / s \u003d 1 / wynikowy wektor MDS wykona pełny obrót, tj. prędkość obrotowa pola stojana jest wprost proporcjonalna do częstotliwości prądu w jego uzwojeniach i odwrotnie proporcjonalna do liczby par biegunów:
gdzie n jest liczbą par biegunów maszyny.
Jeśli liczba par biegunów silnika jest większa niż jedna, zwiększa się liczba sekcji uzwojenia umieszczonych na obwodzie stojana. Tak więc, jeśli liczba par biegunów wynosi n \u003d 2, wówczas trójfazowe uzwojenia będą znajdować się na jednej połowie obwodu stojana, a trzy na drugiej. W tym przypadku przez jeden okres napięcia zasilania wynikowy wektor MDS wykona pół obrotu, a prędkość obrotowa pola magnetycznego stojana będzie o połowę mniejsza niż w maszynach z „\u003d 1-
Postać: 1.4.i - co \u003d 7 s / b - co \u003d l / w - co \u003d 7 s /
Działanie prawie wszystkich silników prądu przemiennego: synchronicznych z wzbudzeniem elektromagnetycznym (SM), z wzbudzeniem z magnesów trwałych (PMSM), synchronicznych silników reluktancyjnych (SRM) oraz silników asynchronicznych (IM) - opiera się na zasada tworzenia wirującego pola magnetycznego.
Zgodnie z zasadami elektrodynamiki we wszystkich silnikach elektrycznych (poza silnikami reaktywnymi) powstały moment elektromagnetyczny jest wynikiem oddziaływania strumieni magnetycznych (strumieni) powstających w ruchomych i nieruchomych częściach silnika elektrycznego. Moment jest równy iloczynowi wektorów tych przepływów, co pokazano na ryc. 1.5, a wartość momentu jest równa iloczynowi modułów wektorów strumienia przez sinus kąta przestrzennego 0 między wektorami strumienia:
gdzie do - czynnik konstruktywny.
Postać: 1.5.
Synchroniczny (SD, SDPM, SRD) i silniki asynchroniczne mają praktycznie takie same konstrukcje stojana, a wirniki są różne. Rozłożone uzwojenia stojana tych silników pasują do stosunkowo dużej liczby na wpół zamkniętych żłobków stojana. Jeśli nie weźmie się pod uwagę wpływu uzębionych harmonicznych, uzwojenia stojana tworzą strumień magnetyczny o stałej amplitudzie, obracający się ze stałą prędkością określoną przez częstotliwość prądu. W rzeczywistych konstrukcjach obecność rowków i zębów obwodu magnetycznego stojana prowadzi do pojawienia się wyższych harmonicznych sił magnesujących, co prowadzi do pulsacji momentu elektromagnetycznego.
Na wirniku SD znajduje się uzwojenie wzbudzające, które zasilane jest prądem stałym z niezależnego źródła napięcia - wzbudnicy. Prąd wzbudzenia wytwarza pole elektromagnetyczne, które jest nieruchome względem wirnika i obraca się w szczelinie powietrznej z wirnikiem z prędkością c [patrz. (1.7)]. W przypadku silników synchronicznych o mocy do 100 kW stosuje się wzbudzenie z magnesów trwałych, które są zamontowane na wirniku.
Linie pola magnetycznego pola wirnika, utworzone przez uzwojenie wzbudzenia lub magnesy trwałe, „zazębiają się” z polem elektromagnetycznym stojana wirującym synchronicznie z nim. Interakcja pól stojana x a wirnik 0 wytwarza moment elektromagnetyczny na wale maszyny synchronicznej.
W przypadku braku obciążenia wału wektory pól stojana i wirnika 0 pokrywają się w przestrzeni i wspólnie obracają się z prędkością 0 (ryc. 1.6, i).
Po przyłożeniu momentu oporu do wału silnika wektory [i 0 rozchodzą się (rozciągają się jak sprężyna) o kąt 0, a oba wektory nadal obracają się z tą samą prędkością od 0 (rys. 1) .6,6). Jeżeli kąt 0 jest dodatni, to maszyna synchroniczna pracuje w trybie silnikowym. Zmiana obciążenia na wale silnika odpowiada zmianie kąta 0 Maksymalny moment obrotowy M będzie wynosić 0 \u003d l; / (0 - stopnie elektryczne). Jeśli
obciążenie na wale silnika przekracza M wtedy następuje naruszenie trybu synchronicznego i silnik wypada z synchronizmu. Przy ujemnej wartości kąta równej 0 maszyna synchroniczna będzie działać jako generator.
Postać: 1.6.i - z idealnym bezczynnością; b - z obciążeniem wału
Silnik synchroniczny bierny - Jest to silnik z wydatnymi biegunami wirnika bez uzwojenia wzbudzającego, w którym moment obrotowy jest spowodowany tendencją wirnika do przyjęcia pozycji, w której reluktancja między wzbudzonym uzwojeniem stojana a wirnikiem przyjmuje wartość minimalną.
W SynRM wirnik jest jawnym biegunem (Rys. 1.7). Ma różną przewodność magnetyczną wzdłuż osi. Oś podłużna re, przechodząc przez środek bieguna, przewodnictwo jest maksymalne i wzdłuż osi poprzecznej q - minimalne. Jeśli oś sił magnesujących stojana pokrywa się z osią podłużną wirnika, nie ma krzywizny linii strumienia magnetycznego i moment obrotowy wynosi zero. Gdy przepływ osi stojana jest przesunięty względem osi wzdłużnej re gdy pole magnetyczne (MF) obraca się, linie siły przepływu są zakrzywione i powstaje moment elektromagnetyczny. Największy moment przy tym samym prądzie stojana uzyskuje się przy kącie 0 \u003d 45 ° el.
Główna różnica między silnikiem indukcyjnym a silnikiem synchronicznym polega na tym, że prędkość wirnika silnika nie jest równa prędkości pola magnetycznego wytwarzanego przez prądy w uzwojeniach stojana. Nazywa się różnicę między prędkościami pól stojana i wirnika poślizg \u003d co - co. W wyniku przesuwania magnetyczne linie siły wirującego pola stojana przecinają przewody uzwojenia wirnika i indukują w nim pole elektromagnetyczne i prąd wirnika. Oddziaływanie pola stojana i prądu wirnika określa moment elektromagnetyczny silnika indukcyjnego.
Postać: 1.7.
W zależności od konstrukcji wirnika rozróżnia się silniki asynchroniczne faza i zwarty wirnik. W silnikach z wirnikiem fazowym na wirniku znajduje się trójfazowe uzwojenie, którego końce są połączone z pierścieniami ślizgowymi, przez które obwód wirnika jest usuwany z maszyny w celu podłączenia do rezystorów rozruchowych, a następnie następuje zwarcie uzwojeń.
W silniku asynchronicznym, przy braku obciążenia na wale, tylko prądy magnesujące przepływają przez uzwojenia stojana, tworząc główny strumień magnetyczny, a amplituda strumienia jest określana przez amplitudę i częstotliwość napięcia zasilania. W tym przypadku wirnik obraca się z taką samą prędkością, jak pole stojana. W uzwojeniach wirnika pole elektromagnetyczne nie jest indukowane, nie ma prądu wirnika, a zatem moment obrotowy wynosi zero.
Po przyłożeniu obciążenia wirnik obraca się wolniej niż pole, występuje poślizg, w uzwojeniach wirnika indukowana jest siła elektromagnetyczna proporcjonalna do poślizgu i powstają prądy wirnika. Prąd stojana, podobnie jak w transformatorze, jest zwiększany o odpowiednią wartość. Iloczyn aktywnej składowej prądu wirnika i modułu strumienia stojana określa moment obrotowy silnika.
Tym, co łączy wszystkie silniki (z wyjątkiem silników z zaworami indukcyjnymi (VID)), jest to, że główny strumień magnetyczny w szczelinie powietrznej obraca się względem stacjonarnego stojana z określoną częstotliwością, prędkością kątową s. Ten strumień magnetyczny niesie ze sobą wirnik, który obraca się w przypadku maszyn synchronicznych o tej samej prędkości kątowej ω \u003d ω lub maszyn asynchronicznych z pewnym opóźnieniem - poślizg 5. Linie pola tworzące główny przepływ mają minimalną długość, gdy silnik pracuje na biegu jałowym (\u003d). W tym przypadku osie wektora sił magnesujących stojana i wirnika pokrywają się. Kiedy obciążenie pojawia się na wale silnika, osie rozchodzą się, a linie sił wyginają się i wydłużają. Ponieważ linie sił zawsze mają tendencję do skracania długości, pojawiają się siły styczne, które tworzą moment obrotowy.
W ostatnich latach użycie silniki indukcyjne zaworów. Taki silnik ma wystający stojan biegunowy z uzwojeniami cewek na każdym biegunie. Wirnik jest również wyraźnym biegunem, ale z inną liczbą biegunów, bez uzwojeń. Do uzwojeń stojana doprowadzany jest na przemian prąd jednobiegunowy ze specjalnego przetwornika - komutatora, a pobudzone bieguny przyciągane są przez pobliski ząb wirnika. Następnie kolejny biegun stojana jest z kolei wzbudzany. Przełączanie uzwojeń biegunów stojana odbywa się zgodnie z sygnałami z czujnika położenia wirnika. To, podobnie jak fakt, że prąd w uzwojeniach stojana jest regulowany w zależności od momentu obciążenia, jest główną różnicą między VID a silnikiem krokowym.
W WIDOKU (rys. 1.8) moment obrotowy jest proporcjonalny do amplitudy strumienia głównego i stopnia krzywizny linii pola magnetycznego. Na początku, gdy biegun (ząb) wirnika zaczyna zachodzić na biegun stojana, krzywizna linii pola jest maksymalna, a strumień jest minimalny. Gdy zachodzenie na siebie biegunów jest maksymalne, krzywizna linii pola jest minimalna, a amplituda strumienia wzrasta, podczas gdy moment obrotowy pozostaje w przybliżeniu stały. Gdy układ magnetyczny SID staje się nasycony, wzrost strumienia jest ograniczony, nawet przy wzroście prądu w uzwojeniach SID. Zmiana momentu przechodzenia biegunów wirnika względem biegunów stojana powoduje nierównomierny obrót wału VID.
Postać: 1.8.
W silniku prąd stały uzwojenie pola jest umieszczone na stojanie, a pole generowane przez to uzwojenie jest nieruchome. W tworniku powstaje wirujące pole magnetyczne, którego prędkość obrotowa jest równa prędkości obrotowej twornika, ale jest skierowana w przeciwnym kierunku. Osiąga się to dzięki temu, że prąd przemienny przepływa przez zwoje uzwojenia twornika, przełączany przez mechaniczną przetwornicę częstotliwości - aparatura zbierająca.
Moment elektromagnetyczny silnika prądu stałego określa oddziaływanie głównego przepływu wytwarzanego przez uzwojenie wzbudzenia i prądu w zwojach uzwojenia twornika: M \u003d k / Jestem
Jeśli zamienimy aparat szczotkowo-zbierający silnika prądu stałego na przełącznik półprzewodnikowy, otrzymamy bezszczotkowy silnik prądu stałego. Praktyczna realizacja takie silniki to silnik zaworowy. Formalnie silnik zaworu jest trójfazową maszyną synchroniczną z wzbudzeniem elektromagnetycznym lub magnesem trwałym. Uzwojenia stojana przełączane są za pomocą przetwornika sterowanego półprzewodnikiem - komutatora, w zależności od położenia wirnika silnika.
Jednym z najpopularniejszych silników elektrycznych stosowanych w większości elektrycznych urządzeń napędowych jest silnik indukcyjny. Silnik ten nazywany jest asynchronicznym (niesynchronicznym) z tego powodu, że jego wirnik obraca się z mniejszą prędkością niż prędkość silnika synchronicznego w stosunku do prędkości obrotowej wektora pola magnetycznego.
Konieczne jest wyjaśnienie, czym jest prędkość synchroniczna.
Prędkość synchroniczna to prędkość, z jaką pole magnetyczne obraca się w maszynie rotacyjnej, a dokładniej jest to prędkość kątowa obrotu wektora pola magnetycznego. Prędkość obrotowa pola zależy od częstotliwości przepływającego prądu i liczby biegunów maszyny.
Silnik indukcyjny zawsze pracuje z prędkością mniejszą niż prędkość synchronicznego obrotu, ponieważ pole magnetyczne, które jest formowane przez uzwojenia stojana, będzie generować przeciwny strumień magnetyczny w wirniku. Interakcja tego generowanego przeciw-strumienia ze strumieniem stojana spowoduje obrót wirnika. Ponieważ strumień magnetyczny w wirniku będzie się opóźniał, wirnik nigdy nie będzie w stanie samodzielnie osiągnąć prędkości synchronicznej, to znaczy takiej samej, z jaką obraca się wektor pola magnetycznego stojana.
Istnieją dwa główne typy silników indukcyjnych, które są określane przez rodzaj dostarczanej mocy. To:
- jednofazowy silnik asynchroniczny;
- trójfazowy silnik asynchroniczny.
Należy zauważyć, że jednofazowy silnik asynchroniczny nie jest w stanie samodzielnie rozpocząć ruchu (obrotu). Aby zaczął się obracać, konieczne jest wytworzenie pewnego przemieszczenia z położenia równowagi. To jest osiągnięte różne sposoby, za pomocą dodatkowych uzwojeń, kondensatorów, przełączających w momencie rozruchu. W przeciwieństwie do jednofazowego silnika asynchronicznego, silnik trójfazowy jest w stanie uruchomić niezależny ruch (obrót) bez dokonywania jakichkolwiek zmian w konstrukcji lub warunkach rozruchu.
Asynchroniczne silniki prądu przemiennego (AC) różnią się od silników prądu stałego (DC) tym, że moc jest dostarczana do stojana, w przeciwieństwie do silnika prądu stałego, w którym moc jest dostarczana do twornika (wirnika) przez mechanizm szczotkowy.
Zasada działania silnika indukcyjnego
Podając napięcie tylko na uzwojenie stojana, silnik asynchroniczny zaczyna pracować. Zastanawiam się, jak to działa, dlaczego tak się dzieje? Jest to bardzo proste, jeśli zrozumiesz, jak zachodzi proces indukcji, gdy w wirniku indukowane jest pole magnetyczne. Na przykład w maszynach prądu stałego konieczne jest oddzielne wytworzenie pola magnetycznego w tworniku (wirniku) nie przez indukcję, ale przez szczotki.
Kiedy przykładamy napięcie do uzwojeń stojana, zaczyna w nich płynąć prąd elektryczny, który wytwarza pole magnetyczne wokół uzwojeń. Ponadto z wielu uzwojeń, które znajdują się na obwodzie magnetycznym stojana, powstaje wspólne pole magnetyczne stojana. To pole magnetyczne charakteryzuje się strumieniem magnetycznym, którego wielkość zmienia się w czasie, poza tym zmienia się kierunek strumienia magnetycznego w przestrzeni, a raczej obraca się. W rezultacie okazuje się, że wektor strumienia magnetycznego stojana obraca się jak nieskręcona zawiesia z kamieniem.
W pełnej zgodności z prawem indukcji elektromagnetycznej Faradaya, w wirniku z uzwojeniem klatkowym (wirnik klatkowy). Indukowany prąd elektryczny będzie płynął w tym uzwojeniu wirnika, ponieważ obwód jest zamknięty i znajduje się w trybie zwarcia. Ten prąd, podobnie jak prąd zasilający w stojanie, wytworzy pole magnetyczne. Wirnik silnika staje się magnesem wewnątrz stojana, który ma wirujące pole magnetyczne. Oba pola magnetyczne ze stojana i wirnika zaczną oddziaływać zgodnie z prawami fizyki.
Ponieważ stojan jest nieruchomy, a jego pole magnetyczne obraca się w przestrzeni, a w wirniku indukowany jest prąd, co w rzeczywistości czyni go magnesem trwałym, ruchomy wirnik zaczyna się obracać, ponieważ pole magnetyczne stojana zaczyna go popychać, ciągnąc wzdłuż. Wirnik niejako sprzęga się z polem magnetycznym stojana. Można powiedzieć, że wirnik ma tendencję do synchronicznego obracania się z polem magnetycznym stojana, ale jest to dla niego nieosiągalne, ponieważ w momencie synchronizacji pola magnetyczne wzajemnie się kompensują, co prowadzi do pracy asynchronicznej. Innymi słowy, gdy pracuje silnik indukcyjny, wirnik ślizga się w polu magnetycznym stojana.
Przesuwanie może być opóźnione lub wiodące. Jeśli występuje opóźnienie, to mamy tryb pracy silnika, kiedy energia elektryczna jest zamieniana na energię mechaniczną, jeśli poślizg występuje przed wirnikiem, to mamy tryb pracy generatora, w którym energia mechaniczna jest przekształcana w energię elektryczną.
Generowany moment obrotowy na wirniku zależy od częstotliwości prądu przemiennego zasilania stojana, a także od wielkości napięcia zasilania. Zmieniając częstotliwość prądu i wielkość napięcia, można wpływać na moment obrotowy wirnika, a tym samym sterować pracą silnika indukcyjnego. Dotyczy to zarówno jednofazowych, jak i trójfazowych silników asynchronicznych.
Rodzaje silników asynchronicznych
Jednofazowy silnik asynchroniczny dzieli się na następujące typy:
- Z oddzielnymi uzwojeniami (silnik dwufazowy);
- Z kondensatorem rozruchowym (silnik rozruchowy kondensatora);
- Z kondensatorem rozruchowym i kondensatorem roboczym (silnik indukcyjny z kondensatorem rozruchowym z kondensatorem);
- Silnik z zacienionym biegunem.
Trójfazowy silnik asynchroniczny dzieli się na następujące typy:
- Z wirnikiem klatkowym w postaci klatki wiewiórczej (silnik indukcyjny klatkowy);
- Z pierścieniami ślizgowymi, wirnikiem fazowym (silnik indukcyjny z pierścieniem ślizgowym);
Jak wspomniano powyżej, jednofazowy silnik indukcyjny nie może sam rozpocząć ruchu (obrotu). Co to znaczy niezależność? To wtedy maszyna zaczyna działać automatycznie, bez wpływu środowiska zewnętrznego. Kiedy włączamy domowe urządzenie elektryczne, na przykład wentylator, zaczyna ono działać natychmiast po naciśnięciu klawisza. Należy zauważyć, że jednofazowy silnik asynchroniczny jest używany w życiu codziennym, na przykład silnik w wentylatorze. Jak dochodzi do takiego niezależnego rozruchu, skoro powyżej jest powiedziane, że tego typu silnik na to nie pozwala? Aby zrozumieć ten problem, konieczne jest zbadanie metod uruchamiania silników jednofazowych.
Dlaczego trójfazowy silnik indukcyjny uruchamia się samoczynnie?
W systemie trójfazowym każda faza ma kąt 120 stopni względem pozostałych dwóch. Wszystkie trzy fazy są więc równomiernie rozmieszczone wokół okręgu, koło ma 360 stopni, czyli trzy razy 120 stopni (120 + 120 + 120 \u003d 360).
Jeśli weźmiemy pod uwagę trzy fazy, A, B, C, to widzimy, że tylko jedna z nich w początkowej chwili będzie miała maksymalną wartość chwilowej wartości napięcia. Druga faza zwiększy wartość napięcia po pierwszej, a trzecia faza nastąpi po drugiej. Tak więc mamy kolejność przemian faz A-B-C wraz ze wzrostem ich wartości i możliwa jest inna kolejność w kolejności malejącej napięcie C-B-A... Nawet jeśli napiszesz zmianę inaczej, na przykład zamiast A-B-C napisz B-C-A, alternacja pozostanie taka sama, ponieważ łańcuch zmian w dowolnej kolejności tworzy błędne koło.
Jak będzie wirnik asynchroniczny silnik trójfazowy? Ponieważ wirnik jest unoszony przez pole magnetyczne stojana i ślizga się w nim, jest całkiem oczywiste, że wirnik będzie się poruszał w kierunku wektora pola magnetycznego stojana. W jaki sposób będzie się obracać pole magnetyczne stojana? Ponieważ uzwojenie stojana jest trójfazowe, a wszystkie trzy uzwojenia są równomiernie rozmieszczone na stojanie, generowane pole będzie się obracać w kierunku rotacji faz uzwojeń. Stąd wyciągamy wniosek. Kierunek obrotów wirnika zależy od kolejności faz uzwojeń stojana. Zmieniając kolejność przemian faz, uzyskujemy obrót silnika w przeciwnym kierunku. W praktyce, aby zmienić obroty silnika, wystarczy zamienić dowolne dwie fazy zasilania stojana.
Dlaczego jednofazowy silnik indukcyjny nie zaczyna się samoczynnie obracać?
Z tego powodu, że jest zasilany jedną fazą. Pole magnetyczne silnika jednofazowego pulsuje, a nie wiruje. Głównym zadaniem wyrzutni jest stworzenie wirującego pola z pulsującego pola. Problem ten został rozwiązany poprzez utworzenie przesunięcia fazowego w innym uzwojeniu stojana za pomocą kondensatorów, cewek indukcyjnych i przestrzennego rozmieszczenia uzwojeń w konstrukcji silnika.
Należy zauważyć, że jednofazowe silniki asynchroniczne są skuteczne przy stałym obciążeniu mechanicznym. Jeśli obciążenie jest mniejsze, a silnik pracuje poniżej maksymalnego obciążenia, jego wydajność jest znacznie zmniejszona. Jest to wada jednofazowego silnika asynchronicznego i dlatego w przeciwieństwie do maszyn trójfazowych są one stosowane tam, gdzie obciążenie mechaniczne jest stałe.
W poprzednim akapicie wykazano, że prędkość obrotowa pola magnetycznego jest stała i określona przez częstotliwość prądu. W szczególności, jeśli trójfazowe uzwojenie silnika jest umieszczone w sześciu szczelinach na wewnętrznej powierzchni stojana (rys. 5-7), to, jak pokazano (patrz rys. 5-4), oś strumienia magnetycznego będzie się obracać
przez połowę okresu prądu przemiennego o pół obrotu, a przez cały okres - o jeden obrót. Prędkość obrotową strumienia magnetycznego można przedstawić w następujący sposób:
W tym przypadku uzwojenie stojana wytwarza pole magnetyczne z jedną parą biegunów. To uzwojenie nazywa się dwubiegunowym.
Jeżeli uzwojenie stojana składa się z sześciu cewek (dwie cewki połączone szeregowo na fazę), ułożonych w dwunastu żłobkach (rys. 5-8), to w wyniku konstrukcji podobnych do uzwojenia dwubiegunowego można uzyskać, że oś strumienia magnetycznego będzie się obracać w pół okresu o ćwierć obrotu, a przez cały okres - o pół obrotu (ryc. 5-9). Zamiast dwóch biegunów na trzy
uzwojenia, pole stojana ma teraz cztery bieguny (dwie pary biegunów). W tym przypadku prędkość obrotowa pola magnetycznego stojana wynosi
Zwiększając liczbę żłobków i uzwojeń oraz stosując podobne rozumowanie, możemy stwierdzić, że prędkość obrotowa pola magnetycznego w ogólnym przypadku z parami biegunów wynosi
Ponieważ liczba par biegunów może być tylko liczbą całkowitą (liczba cewek w uzwojeniu stojana jest zawsze wielokrotnością trzech), to prędkość obrotowa pola magnetycznego może mieć nie dowolne, ale dość określone wartości (patrz tabela 5.1).
Tabela 5.1
W praktyce, aby uzyskać stałą wartość momentu działającego na wirnik w trakcie jednego obrotu, znacznie zwiększa się ilość żłobków w stojanie (rys. 5-10) i każdą stronę cewki umieszcza się w kilku szczelinach, przy czym każde uzwojenie składa się z kilku sekcji połączonych między się konsekwentnie. Uzwojenia są zwykle wykonane w dwóch warstwach. W każdym rowku dwie strony sekcji dwóch różnych cewek są ułożone jedna nad drugą, ponadto, jeśli jedna strona czynna leży na dnie jednego rowka, to druga strona aktywna tej sekcji leży na wierzchu innego rowka, sekcje i cewki są ze sobą połączone tak, że w większości przewodów z każdego rowka kierunek prądów był taki sam.